正火爐

正火熱處理是提高鋼板韌性的重要工藝手段。它的特點是將鋼板加熱到鐵素體- 奧氏體相變的上臨界點以上約30℃ ~ 50℃ 或更高温度, 使鋼奧氏體化, 並且保温均勻化後, 在自由的大氣中冷卻。常規的正火熱處理工藝, 正火後空冷, 鐵素體晶粒仍然會長大, 導致鋼板的強度較低。如果在正火後採用可控的冷卻速度, 就可以降低相變温度, 控制相變類型, 細化相變組織, 也可抑制微合金元素的碳氮化物長大, 使其低温彌散析出, 從而提高鋼材的強度, 保持鋼材韌性不降低。從成分設計的角度, 在保證力學性能相同的條件下, 可以降低鋼中的碳或合金元素的含量, 從而改善鋼材的可焊接性。為此, 相關研究者或生產廠已經對常化冷卻設備和工藝進行了探索性的研究和開發, 並取得了一定的使用效果。

正火爐後控制冷卻系統(NCC - N orma lizing Contro lled Cooling)。NCC 系統設置在輥底式正火爐後, 中厚鋼板加熱出爐後經NCC 系統進行控制冷卻, 將鋼板快速降温到相變温度, 然後上冷牀冷卻。有的也在NCC 設備後加設矯直機 ^[1]  。

1、使用方便，適應生產環境；

2、爐膛內升温迅速且各段温度均勻；

3、爐體大修期保證五年以上，且爐門、燒嘴等易損部件維修方便。

1、設備耗油量大，效率低，環境污染嚴重；

2、由推鋼軌道等引起的故障多，維修困難，影響了生產；

3、自動化控制程度低，廢品率高，一般在12%左右。

影響正火爐系統工作的主要因素有:爐子的温度制度，燃料的種類，空氣和煤氣預熱的方式，被加熱金屬的種類，金屬的裝入和出爐方式，自動控制系統的選擇，爐體選用的材質等。

改造後的正火爐的爐温分為三區，其中工件由推鋼機推入爐膛一區——加熱區，有兩側牆上下錯列布置的四隻燒嘴，軌道由耐火磚砌成的拱支承，使工件可雙面加熱，再向前是二區和三區——恆温區，在兩側牆同高度錯列布置四個燒嘴。八隻燒嘴均採用低壓渦流燒嘴，一區和二區之間設有間隔梁，在爐子前後頂部配有兩台複合式金屬換熱器。兩側爐牆，爐底均採用磚砌結構，爐頂用耐火纖維氈製成，採用一台高壓風機同時供給助燃風和用於排煙的引射風。在煤氣總管，空氣總管上設有調節閥和流量孔板，在引射風總管上也設有調節閥，同時配備了一套先進的微機控制系統，顯示儀表以及保護設備等 ^[2]  。

NCC系統設備主要包括高位水箱、水量分配器、霧冷卻區冷卻噴頭、快冷區、主冷區、精調區的高密度集管、供氣管路、側噴裝置、前後氣吹掃裝置、鋼結構支架等。系統的部分構成：冷卻水由高位水箱及其管路( 或增壓裝置)供應到NCC 裝置中高密度集管和噴霧冷卻器, 對鋼板冷卻後, 冷卻水彙集至回水地溝內, 再回流到水處理系統。水處理系統進行過濾冷卻處理後, 供給高位水箱, 形成回 ^[3]  路。

在車間廠房外設置高位水箱, 通過管路與車間內水量分配器相連接, 向車間內提供冷卻用水。高位水箱底面距地面的高度為13m, 容積約為260m3, 高位水箱上表面設有通氣孔, 保證了高位水箱向水量分配器供水的穩壓、穩流、穩量、排氣。設置高位水箱, 可以在保證冷卻系統大用水需求的同時, 減少水處理系統的供水能力, 節省投資和降低生產能耗。

高位水箱管路系統設來水(供水) 管、出水(給控冷設備供水)管、溢流管和排污管。溢流管, 保證來水的多餘水溢流後, 回到水處理系統,保證系統安全運行; 高位水箱出水管給車間內水量分配器供水, 管路上配製手動蝶閥用於調試及檢修; 高位水箱底部排污管路並配製2 個排污閥, 為排污和檢修使用。

水量分配器的主要作用是將高位水箱的冷卻用水均勻分配到各組冷卻集管。水量分配器佈置於高密度集管對應的正火爐出口輥道旁。

水量分配器有多根入水管, 以穩定供水壓力和減少水壓不均。該裝置主要由鋼結構支撐立柱和公稱通徑DN2000 的螺旋管加焊端部封頭組成; 設置人孔、排污孔、排氣孔,用於水量分配器清污和檢修。水量分配器有多根出水管分別給各冷卻器供水, 管路上設置有水流量的計量儀表, 各冷卻器的流量可以單獨調節, 並由計算機進行設定控制, 確保鋼板冷卻均勻, 防止鋼板發生翹曲。

高密度層流集管用於中厚規格正火鋼板出爐時的控制冷卻。集管採用U 形管層流形式, 其構造簡單, 易於形成穩定的水流狀態。上集管位於出爐輥道的上方的鋼結構支架上, 下集管位於出爐輥道兩兩輥道之間的下方的鋼結構支架上。

1) 上高密度集管由水箱、入水管和U 形管組成。該高密度集管通過入水管上開孔的合理設計, 可使集管橫向上水壓均勻, 從而保證U 形管的水流均勻。改變U 形管噴管的橫向間距或噴管直徑可以得到曲線型的橫向水量分佈, 通過U 形管橫向位置上的交叉配置, 保證鋼板橫向冷卻均勻性。

2)下高密度集管佈置在2個輥子之間, 由水箱、入口水管和圓管噴管組成, 4或5排管採用交叉佈置, 提高鋼板橫向冷卻的均勻性; 噴管有一定傾角, 擴大鋼板下表面的冷卻水衝擊區, 提高了對鋼板下表面的冷卻能力。

噴霧冷卻器主要用於對正火後的薄鋼板進行冷卻。噴霧冷卻器由入水管、外箱體、進氣管、內箱體和專用霧化噴嘴組成, 採取鋼板上、下表面對稱冷卻方式, 上噴霧冷卻器位於出爐輥道的上方的升降台架上, 可跟隨壓緊防水輥一起升降, 根據鋼板厚度不同調整上冷卻器與鋼板的距離, 以保證合理的水量分佈; 下噴霧冷卻器位於出爐輥道兩兩輥道之間下方的鋼結構支架上。

通過霧化噴嘴的合理佈置, 噴嘴霧化顆粒細小、彌散, 面分布均勻。通過霧化噴嘴的橫向間距分佈設計、以及合理交叉配置, 保證鋼板橫向的均勻冷卻。

在冷卻區入口端和出口端分別安裝1 組氣吹掃裝置, 目的是限定冷卻區, 防止鋼板表面殘留水對鋼板的不均勻冷卻, 保證冷卻區入口測温儀的測温精度, 前氣吹掃還防止冷卻水迴流影響爐子壽命。

在冷卻區內設置若干組中壓水側吹噴嘴, 根據冷卻區的長度分散佈置。主要作用是清掃鋼板表面熱水, 提高水的冷卻效果, 同時防止鋼板表面殘留水對鋼板的不均勻冷卻, 控制冷卻板形。

給氣霧冷卻器供氣, 並對氣壓和氣體流量進行調節。上設手動蝶閥、調節閥、減壓閥和過濾器等, 保證供氣壓力和流量達到工藝設定值。

鋼結構框架包括固定框架和移動框架。固定框架固定在設備基礎上, 由H 型鋼結構支撐立柱、H型鋼平台、斜梯、可拆卸走台、安全攔杆等組成, 用於承載高密度上集管和高密度下集管、下氣霧噴頭、上部控制閥組和檢修平台。移動框架通過升降調節機構與固定框架連接, 用於對噴霧冷卻上噴頭和前吹掃裝置的提升 ^[3]  。

NCC控制冷卻系統的工作流程如下, 鋼板加熱出爐後, NCC 系統模型計算機根據鋼種、鋼板的規格(厚度、寬度、長度)及鋼板温度, 自動設定冷卻工藝參數(水量、輥道速度、集管開啓組數等)。鋼板將進入NCC 系統時, 開啓前氣吹掃,防止冷卻水迴流入爐, 隨鋼板前進依次開啓集管; 鋼板出NCC系統時, 開啓後氣吹掃, 清理鋼板表面的殘留冷卻水, 並逐漸關閉冷卻器, 直到鋼板完全離開NCC 冷卻區。鋼板冷卻可以採用連續通過式, 當鋼板較厚時也可以在NCC系統控冷區域內進行往復擺動冷卻。

當鋼板頭部通過安裝在入口位置的測温儀時, 控制冷卻系統過程計算機根據所測得的鋼板開冷温度以及正火爐二級服務器傳來的實測數據進行動態設定計算, 鋼板出控冷系統後經過安裝在出口位置以及稍後位置的測温儀後, 過程計算機將記錄下該鋼板的冷卻水量、鋼板速度、開啓模式、終冷温度、返紅温度等實測值, 並根據這些實測值進行模型自學習; 自學習後的模型係數將用於同規格、同鋼種的下一塊鋼的設定計算 ^[1]  。

鋼板正火後經控冷系統處理, 屈服強度、抗拉強度得到提高, 同時塑性和韌性保持不變或略微下降。例如鐵素體珠光體類型鋼Q 345E 經過常化控冷後的力學性能與普通正火工藝對比, 鋼的屈服強度提高30~ 50MPa、抗拉強度提高20~35MPa, 韌性、塑性略有下降, 綜合性能得到提高,這為降低正火鋼板合金含量提供了有利條件。

低碳貝氏體類型的Q460E 級鋼板, 經過常化控冷以後, 屈服強度達到420~ 460MPa, 抗拉強度達到570~ 620MPa, 屈強比在0. 7~ 0. 75,延伸率25% ~ 30%, Z向斷面收縮率40% ~ 60%。該系統應用於舞陽鋼鐵有限公司4200 軋鋼廠熱處理線, 利用該系統生產110mm 的鋼板已經成功應用於北京奧運會主會場“鳥巢”工程。

在某中板廠, 採用普通正火進行熱處理時產品合格率約為82% ~ 88% , 控制冷卻系統投產後產品合格率提高到96% 以上。

正火爐後控制冷卻系統對於提高中厚板的性能, 提高產品檔次具有重要的意義, 具有廣闊的應用前景, 可生產船板鋼、容器鋼、橋樑鋼、鍋爐鋼、低合金高強度鋼、建築結構用鋼板、造船及海上平台用鋼板等 ^[2]  。